熔渣对金属氧化的影响

1.扩散氧化

焊接钢时，FeO既溶于渣又溶于液态熔池中。在一定温度下达到平衡时，FeO在两相中的浓度应符合分配定律：

若温度不变，当熔渣中的FeO增多时，它将向焊缝金属中扩散，而使焊缝的含氧量增加。熔渣中的FeO含量与焊缝中含氧量的关系如图3-14所示。由图3-14可见，焊缝中的含氧量随着熔渣中FeO含量的增加而增加。

FeO的分配常数L与熔渣的性质和温度有关。在SiO₂饱和的酸性渣中：

在TiO₂饱和的碱性渣中：

由式（3-13）和式（3-14）可以看出，当温度T增大时，分配常数L值减小，这说明在高温时FeO更容易向液态钢中分配，所以扩散氧化主要是在熔滴阶段和熔池的高温区进行。在焊接温度下，L＞1，所以FeO在熔渣中的量总是大一些。

由式（3-13）和式（3-14）可知，在同样温度下，FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配。也就是说，当熔渣中的FeO含量相同时，碱性渣的焊缝含氧量要高（见图3-15）。这是因为碱性渣含SiO₂、TiO₂等酸性氧化物含量较少，FeO的活度大，容易向金属中扩散而使焊缝的含氧量增加。因此，在碱性焊条药皮中一般不加含FeO的物质，并且要求焊接时严格清除工件表面的铁锈及氧化皮，否则会使焊缝增氧，并且会产生气孔等焊接缺欠。在酸性渣中因为含SiO₂、TiO₂等酸性氧化物较多，它们与FeO形成复合物，例如FeO·SiO₂，而使FeO的活度减小。所以，在熔渣中，当FeO含量相同时，酸性渣使焊缝的含氧量少。

图3-14 熔渣中的FeO含量与焊缝中含氧量的关系

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图3-15 熔渣性质与焊缝含氧量的对应关系 1—碱性渣 2—酸性渣

应该指出，不能由此误认为碱性焊条的焊缝含氧量高于酸性焊条。实际上，碱性焊条的焊缝含氧量低于酸性焊条（见表3-9），这是因为碱性焊条药皮的氧化势小的缘故。而上述分析中的前提条件是“熔渣中FeO含量相同”，这在实际上是不可能的。

2.置换氧化

如果熔渣中含有较多容易分解的氧化物，它们就可能与液态铁发生置换反应，其结果使铁氧化，该氧化物中的元素被还原。例如，用低碳钢焊丝配合高锰高硅焊剂（如HJ431）埋弧焊时，发生如下反应：

反应的结果使铁氧化，生成的FeO大部分进入熔渣，小部分溶于液态熔池中使焊缝增氧。同时，使焊缝增Si、增Mn。

表3-14各反应区中金属的成分（埋弧焊，HJ431）

上述反应的方向和限度取决于温度及反应物质的活度与浓度等。由式（3-15）和式（3-16）可知，升高温度则平衡常数增大，反应向右进行。说明置换氧化主要发生在熔滴阶段和熔池前部的高温区域。表3-14中的试验数据也证明了这个论点。在熔池的后部，由于温度下降而使上述反应向左进行，此时已还原的硅、锰有一部分又被氧化，所生成的SiO₂、MnO有可能在焊缝中形成非金属夹杂物。但是，由于温度低、反应速度慢，所以总的结果是焊缝中增氧、增锰、增硅。

虽然上述反应使焊缝增氧，但是由于硅、锰的含量同时增加，综合的结果使焊缝性能仍能满足使用要求。所以采用高锰高硅焊剂配合低碳钢焊丝的埋弧焊工艺广泛应用于低碳钢和低合金钢的焊接实践中。对于中、高合金钢的焊接，如果焊缝增氧、增硅，会造成焊缝金属抗裂性及力学性能降低，特别是低温韧性显著降低。